逆變型分布式電源故障建模與配電網(wǎng)保護(hù).pdf

1、隨著可再生能源的開發(fā)利用以及節(jié)能減排的需要，大量分布式電源接入配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成具有多端電源結(jié)構(gòu)的有源配電網(wǎng)。由于各種類型的分布式電源的存在，有源配電網(wǎng)的故障特性與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)有很大不同。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)與控制等方面都面臨著新的挑戰(zhàn)。
　　經(jīng)逆變器并網(wǎng)是可再生能源的一種重要形式。為了對(duì)其故障模型進(jìn)行研究，需要分析逆變型分布式電源的組成結(jié)構(gòu)以及控制方式等相關(guān)問(wèn)題。逆變型分布式電源主要由電源單元和逆變器部分

2、構(gòu)成，需要分別進(jìn)行分析。逆變型分布式電源的故障特性主要受其控制方式的影響，與傳統(tǒng)電源有很大不同。另外，在對(duì)逆變型分布式電源進(jìn)行故障分析時(shí)，由于目前對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱故障情況下的研究較多，因此需要重點(diǎn)考慮電網(wǎng)非對(duì)稱故障時(shí)的故障特性。
　　有源配電網(wǎng)的保護(hù)方案需要考慮分布式電源的影響。由于分布式電源的種類多樣，其故障特性也有很大差別。隨著分布式電源的大量接入，對(duì)配電網(wǎng)故障特性的影響也越來(lái)越大，使得傳統(tǒng)的基于電流定值的保護(hù)方案難以整定。提出適用

3、于有源配電網(wǎng)的保護(hù)方案有著迫切的需要。而且，配電網(wǎng)范圍廣大，也要考慮所提方案的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。因此，提出一種既能準(zhǔn)確識(shí)別故障，又能在此基礎(chǔ)上盡量減少投資的保護(hù)方案，對(duì)有源配電網(wǎng)具有重要意義。
　　本文從電源單元以及逆變器兩個(gè)方面對(duì)逆變型分布式電源的建模進(jìn)行了分析，得出了光伏陣列的分段線性化等效模型以及電網(wǎng)故障時(shí)的逆變型分布式電源計(jì)算模型。針對(duì)有源配電網(wǎng)提出了一種只采用電流量、只需傳輸邏輯判斷結(jié)果的線路縱聯(lián)保護(hù)原理。提出了一種在保證準(zhǔn)確

4、識(shí)別故障的前提下來(lái)減少斷路器配置以降低投資的有源配電網(wǎng)保護(hù)方案。主要研究?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)如下:
　　(1)針對(duì)光伏分布式電源，研究了光伏陣列的分段線性化等效模型。根據(jù)光伏陣列在系統(tǒng)分析以及仿真實(shí)驗(yàn)等具體應(yīng)用中的要求，為了對(duì)其非線性I-U特性進(jìn)行簡(jiǎn)化等效，提出了一種基于分段線性的等效方法。該方法利用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性模型以及相應(yīng)的等效電路來(lái)描述光伏陣列的I-U特性。通過(guò)分段線性化，使光伏非線性關(guān)系由多段線性方程來(lái)代替。而對(duì)于每一段線性方程，用

5、一個(gè)等效電路表示。最終提出了一個(gè)含多個(gè)并聯(lián)支路的光伏電源I-U特性等效電路。利用PSCAD軟件搭建了分段線性等效電路的仿真模型，并將仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)解析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，分段線性模型能很好地表示光伏陣列的非線性I-U特性。
　　(2)研究了逆變型分布式電源的故障特性及含逆變型分布式電源配電網(wǎng)的故障計(jì)算。逆變型分布式電源的故障特性主要由其控制策略決定。為實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱故障下的控制，采用雙解耦控制。研究了非對(duì)稱故障下逆變電源的控

6、制策略。以抑制逆變型分布式電源在非對(duì)稱故障期間所輸出的負(fù)序分量電流為控制目標(biāo)，對(duì)非對(duì)稱故障以及考慮低電壓穿越情況下的故障特性進(jìn)行了研究。利用PSCAD仿真軟件搭建逆變型分布式電源的模型，對(duì)其故障特性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，研究了含逆變型分布式電源的配電網(wǎng)故障分析方法，并通過(guò)仿真分析進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(3)提出了一種基于電流相角突變量方向的有源配電網(wǎng)線路縱聯(lián)保護(hù)。首先考慮功率流動(dòng)方向變化以及故障位置的變化，分析了故障后電流相角的變化

7、特性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)某段線路發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，線路兩端電流相角突變量方向相反;而對(duì)于保護(hù)區(qū)外部故障時(shí)，線路兩端電流相角突變量方向相同。據(jù)此原理提出采用正序分量電流的線路保護(hù)方案。該保護(hù)方案只利用線路兩端電流相角突變量的方向信息便可準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障，對(duì)通信通道要求不高，并且不需要兩端電流同步采樣。由于對(duì)故障位置的判定不需要電壓信息，與現(xiàn)有方向保護(hù)相比，節(jié)省了電壓互感器的投資。利用PSCAD仿真軟件搭建多個(gè)模型對(duì)本線路保護(hù)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該線路保

8、護(hù)方案對(duì)于不同位置、不同過(guò)渡電阻以及多種故障類型的故障都能夠準(zhǔn)確識(shí)別。
　　(4)提出了一種針對(duì)整個(gè)有源配電網(wǎng)的考慮減少斷路器安裝的保護(hù)方案，并給出了跳閘斷路器的確定方法。該保護(hù)方案采用智能終端單元(Smart TerminalUnit，STU)實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)、節(jié)點(diǎn)保護(hù)和負(fù)荷保護(hù)等主保護(hù)功能，以及針對(duì)斷路器拒動(dòng)時(shí)的后備保護(hù)功能。通過(guò)STU大量配置，以實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確判別;減少斷路器的配置，以適應(yīng)配電網(wǎng)的實(shí)際需要而減少投資。STU通過(guò)配電

9、網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)得到的保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣來(lái)確定跳閘斷路器。文章對(duì)保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣的形成進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。主保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣通過(guò)拓?fù)渌阉鞯玫?，后備保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣通過(guò)對(duì)主保護(hù)關(guān)聯(lián)矩陣的計(jì)算處理得到，分別用于主保護(hù)功能以及斷路器拒動(dòng)情況下的后備保護(hù)功能。當(dāng)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)不同情況下STU的處理方法進(jìn)行了討論。最后通過(guò)復(fù)雜接線的配電網(wǎng)實(shí)例對(duì)保護(hù)和斷路器的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行了分析。分析表明本方案在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，能夠準(zhǔn)確確定需要跳開的斷路器以切除故障區(qū)段，當(dāng)